Le connessioni sui backplane sono molto cambiate dall’introduzione delle linee PCI Express e 10/40 Gigabit Ethernet, perché queste ultime hanno invogliato i costruttori a implementare tecniche di adattamento più flessibili sui protocolli d’interfaccia, ossia capaci di adeguare le caratteristiche alle applicazioni.
L’impostazione costruttiva nata con lo standard VPX, o VITA 46, consente da qualche anno di implementare una dotazione d’interfacciamento aperta anche nei prodotti rugged storicamente proprietari ed è pertanto diventata un punto di riferimento per il mercato industriale, proprio perché rende i prodotti rugged più indipendenti rispetto alla continua nascita di nuove interfacce e nuovi I/O.
Fig. 1 – I connettori ottici standard VITA 66.1, 66.2 e 66.3 offrono alle applicazioni embedded rugged la possibilità di esprimere prestazioni orientate alle applicazioni
Dopo la prima variante Ruggedized Enhanced Design Implementation VPX REDI, appositamente realizzata per il mercato rugged, la VPX Marketing Alliance ha più recentemente presentato le versioni OpenVPX che sono indubbiamente più versatili e vicine alle attuali applicazioni fra cui VITA 65 e 68 che aggiornano le normative per l’interoperabilità fra i moduli fino a 10 Gbps e VITA 66, 67 e 78 che normalizzano le prestazioni dei collegamenti fra i sottosistemi a elevatissima velocità rispettivamente terrestri in fibra ottica, su cavi coassiali a radiofrequenza e interspaziali nelle microonde.
Il principale vantaggio dei backplane VPX è la versatilità di configurazione che serve ad abbattere i rischi di incompatibilità che per le applicazioni rugged sono particolarmente nefasti perché riducono l’affidabilità che ne costituisce uno dei più importanti requisiti. I nuovi moduli VITA devono obbedire alle medesime regole hardware e software nonostante siano fabbricati da diversi produttori, dedicati ad applicazioni specifiche, realizzati con differenti dotazioni d’interfaccia e sottoposti a differenti modalità di raffreddamento.
In pratica, oltre allo zoccolo per la connessione dei moduli OpenVPX, nei backplane VPX c’è un ulteriore zoccolo con settantadue pin liberamente configurabili dall’utente che serve proprio per permettere al sistemista di adattare le caratteristiche hardware e software dei moduli inseriti a quelle della scheda principale e delle schede già installate. Il valore aggiunto di quest’approccio consiste nella possibilità di realizzare sistemi di elaborazione e sottosistemi d’interfaccia maggiormente orientati alle applicazioni e caratterizzati da una preziosa flessibilità che per molto tempo è mancata soprattutto nei sistemi embedded rugged provenienti dai costruttori focalizzati nel settore militare statunitense.
Specificatamente per i sistemi ottici lo standard VITA 66 Optical Interconnect prevede i tre differenti tipi di connettori descritti dalle normative 66.1, 66.2 e 66.3, nonché i rispettivi zoccoli sul backplane descritti nella 66.4. I primi sono i connettori a ferrula Mechanical Transfer (MT), i secondi sono i terminali Arinc 801 e i terzi gli inserti Expanded Beam (EB), ciascuno con le proprie caratteristiche di robustezza e prestazioni. Gli MT misurano 6,4 x 2,4 mm e ospitano 24 fibre ottiche ciascuno ma se ne possono mettere due nel formato 3U ossia 48 fibre ottiche e ben dieci nel 6U per un totale di 240 fibre ottiche, tutte con 0,25 dB di perdite d’inserzione se sono a singolo modo e 0,2 dB se sono multimodali.
L’elevata robustezza, la semplicità d’installazione e l’elevata densità di fibre ottiche collegabili ne fanno la scelta migliore per l’impiego industriale malgrado lo svantaggio di non permettere di intervenire sulle singole fibre ottiche qualora vi siano dei difetti isolati, il che significa che se ne devono cambiare almeno ventiquattro ogni volta. I terminali Arinc 801 sono di ceramica e ospitano quattro connettori circolari con diametro di 1,25 mm per altrettante quattro fibre ottiche nei moduli 3U e venti nei 6U, ma qui le perdite d’inserzione scendono a 0,15 dB per le fibre monomodali e a 0,1 dB per le multimodali.
Gli Arinc 801 sono meno robusti degli MT ma hanno migliori caratteristiche operative sui segnali con velocità più elevata e inoltre consentono di intervenire sulle singole fibre ottiche e disinstallarle una per una in caso di manutenzione. Sempre quattro fibre ottiche nei moduli 3U e venti nei 6U per gli inserti EB che sono senza dubbio i più robusti perché soddisfano i requisiti MIL-DTL-83526/20 e 21 grazie a quattro piccole lenti poste all’interfaccia dei quattro connettori in modo tale da collegare le sezioni terminali delle fibre ottiche senza contatto diretto e ciò, oltre a consentire comunque la massima velocità di transito per i segnali, protegge le fibre ottiche dalla polvere, dall’umidità e dalle vibrazioni meccaniche mantenendo la focalizzazione anche in caso di forti torsioni e anche se i connettori sono ripetutamente installati o disinstallati perfino per oltre tremila volte. La maggior robustezza e la presenza delle lenti fa però leggermente peggiorare le perdite d’inserzione che ora sono di 0,8 dB per le fibre a singolo modo e 0,7 dB per le multimodali.
Fig. 2 – La piattaforma CSPI TeraXP 300 ha sei slot che possono ospitare due schede VPX REDI per la CPU e per la GPU e, inoltre, un backplane VITA 66 con i supporti per i connettori MT 66.1
Lo standard VITA 66 può essere un’importante risorsa per le applicazioni embedded perché consente di valutare innanzi tutto il livello di robustezza di volta in volta necessario alle applicazioni e poi decidere liberamente tutte le caratteristiche in termini di lunghezza di tratta, velocità dei segnali e modalità d’installazione, configurazione e manutenzione delle fibre ottiche. Inoltre, i connettori VITA 66 sostituiscono efficacemente gli attuali connettori ottici attivi QSFP+ che sono più ingombranti perché necessitano di transponder intermedio e, in più, grazie all’architettura Enhanced Eurocard Standard IEEE 1101.10, possono interfacciarsi con tutti i nuovi standard modulari PCI Gen3, CompactPCI Express e AdvancedTCA.
CSPI MultiComputer Division progetta e produce sistemi a elevate prestazioni prevalentemente per il settore militare statunitense ma con la prerogativa di avere un’architettura aperta, capace di interfacciarsi con la più ampia varietà di standard disponibili sul mercato. A caratterizzare i prodotti CSPI è la sofisticata elaborazione numerica dei segnali che massimizza le prestazioni dei sistemi per la ricostruzione immagini, la simulazione grafica e la visione robotizzata.
Nella famiglia degli OpenVPX Embedded Server i sistemi TeraXP 300 offrono sei slot VPX che possono essere configurati in molti modi e ospitano di serie una scheda VPX REDI basata su CPU Intel Xeon, una VPX REDI con un coprocessore grafico Nvidia, una scheda portante con la tecnologia FDR InfiniBand con velocità di 56 Gbps, un supporto per le schede PCIe XMC/PMC e un backplane VITA 66 Optical Interconnect al quale si possono connettere le fibre ottiche usando i terminali MT 66.1. La TeraXP Open Architecture consente quindi di realizzare sistemi complessi con prestazioni per applicazioni specifiche che possono però essere aggiornate per stare al passo con il progredire della tecnologia.
Fig. 3 – La scheda Pentek Flexor 5973 3U OpenVPX FMC accetta due connettori VITA 66.1 con 12 canali ottici duplex per una velocità aggregata di 336 Gbps
Pentek ha introdotto la scheda Flexor 5973 3U OpenVPX FMC caratterizzata da uno zoccolo VITA 66.4 adatto ai connettori ottici VITA 66.1 del tipo a ferrula MT con 24 fibre ottiche configurate come dodici canali ottici duplex. A bordo della scheda c’è un Fpga Xilinx Virtex-7 da scegliere fra il VX330T e il VX690T che serve per convertire i segnali dalla forma ottica alla forma elettrica grazie a quattro stadi A/D e due D/A con risoluzione di 16 bit e, inoltre, serve per gestire e configurare le linee ottiche disponibili in funzione delle necessità applicative massimizzandone l’affidabilità anche quando cambiano le condizioni ambientali.
Oltre ai connettori VITA 66.4 la scheda monta anche due connettori FireFly Micro Flyover Samtec con dodici linee per altrettante fibre ottiche ciascuno e con entrambe le opzioni l’Fpga consente di trasmettere e/o ricevere i segnali alla velocità di 14 Gbps per fibra per una velocità totale aggregata di 336 Gbps. La differenza fra i due Fpga è che il primo ha 28 SerDes da 13,1 GHz mentre il secondo ne ha 80 e consente di implementare funzioni di elaborazione segnali più sofisticate anche nel caso di più schede in parallelo. La scheda, inoltre, incorpora la tecnologia GateXpress Fpga-PCIe Configuration Manager che consente di massimizzare la trasparenza operativa fra l’Fpga e i canali PCI Express migliorandone la reattività e l’efficienza.
Fig. 4 – Hanno il telaio in alluminio i connettori ottici Tyco Electronics MT standard VITA 66.1 e garantiscono velocità dati fino a 25 Gbit/s per ogni contatto
TE Connectivity è la divisione Tyco Electronics impegnata nella ricerca e sviluppo dei nuovi connettori rugged standard VITA 66.1 MT, 66.2 Arinc 801 e 66.3 EB, per i quali sta realizzando nuove serie di prodotti soprattutto orientate alle applicazioni aerospaziali, ma anche per il settore industriale. Conformi allo standard 66.1 la società propone i nuovi Mechanical Transfer 2000973-1 e 2000974-1 con telaio in alluminio da montare rispettivamente sul backplane e sui moduli scheda.
Per ciascuna linea ottica questi connettori garantiscono fino a 25 Gbit/s di velocità dati e un’estesa tolleranza termica, nonché la scelta fra le terminazioni “single-ended”, “power” o “differenziali”. Conformi allo standard 66.3 propone i nuovissimi connettori 2102282-1 e 212283-1 di tipo Expanded Beam incapsulati in modo da rendere i contatti ottici immuni rispetto alle vibrazioni meccaniche, alle fluttuazioni termiche e all’inquinamento nell’ambiente circostante. Per tutti i nuovi connettori VITA 66 Tyco Electronic assicura la certificazione MIL-STD-810 che garantisce la robustezza nelle applicazioni più impegnative.